• 検索結果がありません。

Microsoft Word - kogi09-02.doc

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

シェア "Microsoft Word - kogi09-02.doc"

Copied!
7
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

第2回 最小作用の原理

1 安定な運動と、静止物体の釣り合いの問題 ニュートンの運動方程式 Fr mx&r&

= の解はいつでもユニーク(一つに決まる)であり、同じ 初期条件であればいつでも必ず同じ運動をします。これは、その運動が『安定』である と言ってよいでしょう。

1.1 「安定な運動」

「安定な運動」の意味をもう少しはっきりさせるために、アナロジーとして物体の釣り合い を考えてみましょう。

物体が安定な位置に停止する条件は、∂

U

x =0、かつ

2

2 0

U x >

3次元なら、∇U =r

0、かつ

∂ ∂

2U x xi j





の固有値が全て正という条件になります。

⇒いつでも、次元が変わったらどういう式になるか考えると面白いです。

運動の安定性という問題でも、何かポテンシャルUのよう な量が存在して、それが現実に起こる運動に対して極小 値を取っているのではないでしょうか?

もちろん、これは何か法則があって述べているわけでは ありません。何となくそういう気がするのではないでしょう か、と言っているだけです。新しい理論はたいてい、そう いうところから始まります。

1.2 ラグランジアンと作用積分

運動の場合は、釣り合いとは異なり、ある有限時間の間持続するものですから、何かの

関数を S =

tt2L(q,q&)dtのように時間で積分したものが極小になると考えて良いでしょう。

t q

( )

t

δ

q

( )

t q

( )

t q

( )

t q +

δ

現 実 の 運 動 と少 し ずれ た 運動とは?

(2)

ここで t1t2は運動の始点と終点であり、qq&は、座標とその時間微分です。平たく言 えば、x

υ

ですね。いきなり、qとか書かれておじけづかないように。

⇒どうしてqと書くのでしょうか。「デカルト座標」に限定しないからです。

あとで出てきます。(角度とか、曲線の長さ、etc.) 1.3 多自由度系(多次元、多粒子)

もちろん、これも、3 次元空間での運動であれば、qrとqr

&のようにベクトルとなるでしょうし、

もっと拡張して、多くの物体の運動であれば、もっと多くの座標{q1,q2,…,q&1,q&2,…}とな ります(N個の粒子が三次元空間内を運動する場合は6N個の座標変数です)。

1.4 Lagrangian U T

L= − と定義します。Tは運動エネルギー、Uはポテンシャルエネルギーです。

どうしてこんなものを定義するのかが今日のGoalです。

一次元空間を運動する一つの粒子なら、 2 2 x

T =m & です。

三次元空間を運動する二つの粒子なら、

(

12

)

2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1

2 x y z x y z

T =m & + & + & + & + & + &

ポテンシャルエネルギーの例、U Fr xr

=

いつでも同じ力が働いている空間。Fr =

(

0,0,−mg

)

とすれば重力 万有引力

2 1

2 1

r r

m U Gmr r

− −

= G= 6.67259×10−11 m3s−2kg−1

バネ 2 2x U =−k

このような自乗のポテンシャルを調和ポテンシャル(Harmonic)と呼びます。

由来はギリシャ哲学─この世は全て整数比の「調和」で成り立っている。振動数も。

1.5 作用積分action integral

(3)

定義 S =

0tm2q&2 U

( )

q dt

ベクトルで書けば S =

0tm q U

( )

q dt

2

2

&r r

二次元なら、qr=

(

rcos

θ

,rsin

θ )

三次元なら、qr=

(

rsin

θ

cos

ϕ

,rsin

θ

sin

φ

,rcos

θ )

多粒子なら、S =

0t m q +m q + U

(

q1 q2

)

dt

2 2 2 2 1

1 , ,

2 &r L r r L

&r

1.6 最小作用の原理

作用積分の表式に「現実の運動」を代入してそれが最小になることを見てみよう。

現実の運動とは、、、

〔例〕等速直線運動q

( )

t =

υ

0t+q0, q&

( )

t =

υ

0

〔例〕単振動q

( )

t =Asin

ω

t, q&

( )

t =A

ω

cos

ω

t

〔例〕等速円運動qr

( ) (

t = rcos

ω

t,rsin

ω

t

)

, q&r

( ) (

t = −rωsinωt,rωcosωt

)

注)これからは単振動とは言わない。調和振動と言う。

バネとは言わずに調和ポテンシャルと言う。

「現実の運動」から少しずれた運動を考える。

q

( )

x +

δ

q

( )

x q&

( )

x +

δ

q&

( )

x ただし、δqは非常に小さな関数 1.7 作用積分

Sq

( )

x +

δ

q

( )

x を代入すると、

(

q+ q

)

=

tm

(

q+ q

)

U

(

q+ q

)

dt

S 0

2

2δ δ

δ & &

( ) ( ) ( )

+

t qdt

dq q q dU U q q m q

0

2 2

2 & &δ& δ

一項目と三項目をまとめると元のSなので、

(4)

( ) ( )

+

= t qdt

dq q q dU m q

S

0 2 &δ& δ

ここで積分の中の第一項を部分積分してδq&を消去すると、

0tmq&

δ

q&dt =mq&

δ

q t0

0tmq&&

δ

qdt=

0tmq&&

δ

qdt となるので結局、

( ) ( )

+

=

+ t qdt

dq q q dU q m S

q q

S δ 0 &&δ δ

( )



 

 +

= t qdt

dq q q dU m

S 0 && δ

(

+

)

− =

δ

S S q

δ

q S

( )



 

 +

t qdt

dq q q dU

0 m&& δ

を得ます。

1.8 ニュートンの運動方程式と最小作用の原理

( )

q dq F dU q

m&&= =− がニュートンの運動方程式ですから、これを代入すると、

( )

t

q

S

δ

δ

= ∀

∴ 0 for

となって、現実の運動から、ちょっとだけ外れた運動では必ずSは一定 つまり、極小値を取ると言うことがわかります。

すなわち、

ニュートンの運動方程式 ⇔ 最小作用の原理 が導かれました。

※厳密には、極大では無いことを証明するために、

( ) ( ) ( )

22

( )

q q2

q q S q q q S S q q

S

δ δ δ

∂ +∂

∂ +∂

= +

と二階変分を計算して、正であることを確かめる必要があります。

(5)

1.9 多次元・多粒子の場合

( )

( ) ( ) ( )

+ + + + + +

=

+ +

+

t

dt q

q q q q U

q m q q m

q q q q q q S

0 1 1 2 2

2 2 2 2 2 1 1 1

1 1 2 2 1 1

, 2 ,

, ,

,

L L

&

&

&

&

L

δ δ δ

δ

δ δ

δ

( ) (

q q

)

q dt

q q U q

q q q U

q m q q m

S t & & & & L L L −L

−∂

−∂ + +

+

1 2 2

2 1 2

1 1 1

1

0 1 1

δ

1 1

δ

, ,

δ

, ,

δ

部分積分して、

( ) (

q q

)

q dt

q q U q

q q q U

q m q q m

S t && && L L L +L

∂ +∂

∂ +∂ + +

=

1 2 2

2 1 2 1 1 1

1

0 1 1

δ

1 1

δ

, ,

δ

, ,

δ

( ) (

q q

)

q dt

q q U q m q q

q q q U q m

S t && L && L +L

∂ +∂

∂ + +∂

=

1 2 2

2 1 1

0 1 2 1 1

1 1 1

1

δ

, ,

δ δ

, ,

δ

( ) (

q q

)

q dt

q q U m q q

q q q U m

S t && L && L  +L



∂ +∂

 +



∂ +∂

=

1 2 2

2 1

0 1 2 1 1

1 1

1 , ,

δ

, ,

δ

それぞれの〔〕の中はニュートンの運動方程式から全てゼロになるので、

全ての座標q1,q2,Lについて、Sは極小値を取ることになります。

図示出来るのは二次元

(変数が二つという意味です)の場合 のみで、右図のようになっています。

但し、軸q1,q2は単なる座標ではなく、

現実の運動に対応した時間の関数です。

1.10 最小作用の原理の意味

この運動がどうしてそんなに安定なのでしょうか?

どうしてこの宇宙では、ニュートン力学に従う運動が選ばれたのでしょうか?

それは作用積分を良く見るとすぐにわかります。まず、運動エネルギーT は常に正であ ることに注意すると、

現実の運動

q1

q2

S

値でなく、関数 の種類を表す 座標軸

(6)

{

L t

dt U T S =

0

なのですから、積分を小さくするためには、 T 小かつU 大 というところでゆっくり動け ば良いことになります。このことは当たり前で、ポテンシャルの高いところでは運動エネ ルギーが小さくなってゆっくり進む、ということに他なりません。

1.11 オイラーラグランジュの方程式

= tLdt

S 0

のままで変分を適用してみます。ここで、L=L

(

q,q&

)

です。

「どういう運動」かとは、q

( )

t q&

( )

t が、どういう時間の関数かということです。

例)静止

( )

( )



=

= 0

0

t q

q t q

& 自由落下

( )

( )



=

− +

=

gt t

q

gt x

t q

0

2 2 1 0 0

υ υ

&

回転

( ) ( )

( ) ( )



=

=

=

=

t r

t q t r

t q

t r t q t r t q

y x

y x

ω ω ω

ω

ω ω

cos ,

sin

sin ,

cos

&

&

作用積分Sを変分してみます。Sの変分を取るということは積分の中身のラグランジアンLを ちょっとだけずらすことです。Lをずらすということはその中身の座標と速度をずらすということ です。座標と速度は変数ですが、時間に依存するので「時間の関数」とみなせます。

この関数をずらすので変分になるわけです。

( ) ( )

= +

= t t q t dt

q t L q q t L

d L

S 0 0 &

&

δ δ

δ δ

T 小、U 大

T 大、U 小 ゆっくり進んで時間を稼ぎ、

作用積分を小さくさせる さっさと進んで、 速度

作用積分を大きく させない

Lの変数はqq&であって、

それ以外の変数は含まな いという意味。

(7)

但し、

δ

q

( )

0 =

δ

q

( )

t =

δ

q&

( )

0 =

δ

q&

( )

t =0とします。

ここまで来ればあとは先週のレシピを思い出して、部分積分すれば、

( ) ∫ ( )

( )

 

− ∂

∂ + ∂

= ∂

=

t t

t d t q q L dt t d q q t L

q q S L

0 0

0

δ δ

δ

δ

&

43 42 1

第一項は、ずれ関数

δ

q

( )

t の定義からゼロで、積分の中身は任意の

δ

q

( )

t 関数でゼロになら ねばならないので、結局、

最小作用の原理 =0

 

− ∂

q L dt

d q L

&

ということになります。この方程式をEuler-Lagrange方程式と言います。

一体全体どういう方程式かと言うと、

例) ポテンシャルU

( )

q の中に置かれた質点の場合、L=mqU

( )

q

2

&2

ですから、

=

 

− ∂

q L dt d q L

& −

( )

= − =0

−∂ mq f mq dt

d x

U & &&

となってニュートンの運動方程式が出てきました。これは今日の前半で確かめたことです。

以上より本日の結論は、

最小作用の原理 Newtonの運動方程式Euler-Lagrange方程式

ということになります。E-L は微分方程式なので、積分方程式の最小作用の原理に比べて取 り扱いが簡単です(みなさんには同じに見えるかも知れませんが、、、)。

※ 次回はラグランジアンのご利益。どうして便利なのか?

( )

t q

( )

t

q +

δ

=少しだけずれた関数

( )

t

q =元の関数

δ

q

( )

t =ずれ

(両端ではゼロとする) t

t 0

参照

関連したドキュメント

地方自治法施行令第 167 条の 16 及び大崎市契約規則第 35 条により,落札者は,契約締結までに請負代金の 100 分の

あらまし MPEG は Moving Picture Experts Group の略称であり, ISO/IEC JTC1 におけるオーディオビジュアル符号化標準の

平成 26 年の方針策定から 10 年後となる令和6年度に、来遊個体群の個体数が現在の水

北海道の来遊量について先ほどご説明がありましたが、今年も 2000 万尾を下回る見 込みとなっています。平成 16 年、2004

当監査法人は、我が国において一般に公正妥当と認められる財務報告に係る内部統制の監査の基準に

[r]

〒020-0832 岩手県盛岡市東見前 3-10-2

(1) 会社更生法(平成 14 年法律第 154 号)に基づき更生手続開始の申立がなされている者又は 民事再生法(平成 11 年法律第